Annexe 1.
Article présenté au Congrès Francophone de Génie des Procédés de Nancy.
SECHAGE DES LEVURES EN LIT FLUIDISE.
L. Bossart, V. Halloin
Université Libre de Bruxelles – Service de Génie Chimique CP165/67 – Av. F.D. Roosevelt 50 – 1050 Bruxelles – Belgique
Résumé. La viabilité des levures après séchage dépend des conditions opératoires de séchage. Elle a été évaluée en laboratoire pour différentes compositions de conditions opératoires (vitesse, humidité et température de l’air de séchage, taille des grains et quantité de solide à sécher). Ces tests ont mis en évidence l’importance du contrôle de la température à l’intérieur du lit fluidisé et la difficulté de combiner l’obtention d’une matière sèche de l’ordre de 92 à 96 % et le maintien d’une viabilité importante.
INTRODUCTION
Le séchage des micro-organismes a pour but d’arrêter et de stabiliser toute activité biologique en vue d’une conservation optimale, compatible avec la préservation d’une viabilité maximale des micro-organismes désirés [1]. Le séchage de la biomasse permet de faciliter et de rendre plus économique le stockage, le transport et la commercialisation des levures.
L’eau joue un rôle essentiel dans la structure et les propriétés physiques des microorganismes, ce qui rend délicate l’opération de séchage puisque celle-ci soumet les produits à des variations plus ou moins importantes de température et de pression mais également à des effets potentiels liés au flux d’eau à travers les membranes cellulaires, qui peuvent être déterminants sur la qualité du produit séché.
Dans le cas des produits biologiques (bactéries, moisissures, levures, virus), on a pu démontrer l’existence d’une humidité résiduelle optimale correspondant à la préservation d’une viabilité maximale, et qui varie en fonction du genre de micro- organismes. Pour les levures, la quantité d’eau nécessaire à la levure pour survivre en état de latence est de 4 à 8 %. Cette humidité devra permettre une réactivation des micro-organismes ultérieurement.
séchage, lorsqu’elle est réactivée ultérieurement par réhydratation. Le terme viabilité désigne l’aptitude des micro-organismes à survivre à la déshydratation et à être ensuite réactivés pour leur utilisation ultérieure [1].
MATÉRIEL UTILISÉ ET DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL
1.Les levures
La levure utilisée pour nos essais est Sacch. cerevisae. Elle est achetée sous forme d’une pâte à environ 70 % d’humidité. Cette pâte est d’abord légèrement pressée sur filtre-presse de manière à obtenir une matière sèche de l’ordre de 30 à 32 %, et ensuite transformée en filaments de l’ordre de 1 ou 1,5 mm de diamètre dans une extrudeuse consistant en une presse munie d’une vis d’Archimède qui comprime les levures dans un cylindre perforé. Ces filaments sont cassés dans un sphéronisateur constitué d’un disque rotatif dont la surface est munie de lames successives disposées en quadrillage, nous obtenons alors des sphères de 1 ou 1,5 mm de diamètre.
2. Lit fluidisé
Un dispositif de séchage par fluidisation a été dimensionné et construit au laboratoire.
L’alimentation en air de séchage est réalisée via un compresseur Rotomil’s permettant un débit maximum de 313 m³/h sous une perte de charge de 2 bar. L’air sort du compresseur à une température de l’ordre de 60°C, et est refroidi dans un échangeur de chaleur placé à la sortie du compresseur. L’air passe ensuite dans un lit fixe de zéolithes permettant de diminuer sa teneur en eau. Un collier chauffant est placé à la base du lit fluidisé de façon à ajuster la température de l’air de séchage.
Le lit fluidisé à un diamètre de 180 mm au sommet de sa base conique et une hauteur utile de 340 mm. Il est équipé d’une plaque distributrice perforée de 185 trous de 3 mm de diamètre de façon à imposer une perte de charge suffisante pour éviter des chemins préférentiels.
L’installation est instrumentée d’une série de capteurs de mesures qui permettront d’établir les bilans de matière et d’énergie, de contrôler les conditions opératoires, et de valider des modèles mathématiques qui seront développés comme outils d’extrapolation et d’optimisation:
un tube de Pitot en amont du lit pour évaluer la vitesse de l’air
deux sondes hygrométriques pour mesurer la teneur en eau dans l’air à l’entrée et à la sortie du lit fluidisé
des thermocouples à l’entrée, à la sortie et dans le lit fluidisé
une caméra numérique pour mesurer la hauteur de la couche fluidisée et vérifier la qualité de la fluidisation.
3.Mélange dans le lit fluidisé
Afin de vérifier le bon dimensionnement de la plaque perforée distributrice de l’air à la base du lit fluidisé, on a étudié la qualité du mélange de 2 couches d’une même masse de particules de sable de 0,2 mm de diamètre. Les deux couches de sable ne diffèrent que par leur couleur.
Le débit d’air est réglé de manière à obtenir une vitesse superficielle dans le lit fluidisé de 0,13 m/s, ce qui correspond à 4 fois la vitesse minimale de fluidisation calculée pour des particules de 0,2 mm de diamètre.
La première photographie de la figure 1 montre les 2 couches de sable en lit déposé. La seconde photographie prise dans les conditions de fluidisation décrites ci-dessus montre que les deux couches sont alors indissociables, et donc parfaitement mélangées.
Figure 1 : Mélange de deux couches de sable.
4.Mesure de la matière sèche et de la viabilité
De manière à évaluer la matière sèche et la viabilité des levures, des prélèvements de solides sont effectués durant les tests de séchage.
Une quantité précise de solides prélevés est placée dans une étuve à 105 °C pendant 24 heures et repesée ensuite, après refroidissement dans un dessicateur, pour évaluer la matière sèche de l’échantillon.
Pour évaluer la viabilité, une quantité de levures prélevées connue précisément est diluée dans une solution d’eau peptonée (eau à 0,5 % NaCl et 0,1 % peptone) stérile. Des dilutions successives sont effectuées, et une quantité précise (100 µl) de la dernière dilution est étalée sur une boîte de Pétri remplie d’un milieu de culture riche en glucose, peptone et extrait de levures. Cinq boîtes de Pétri sont ainsi ensemencées. Après une durée d’incubation d’environ 60 heures à température ambiante, un comptage des colonies sur les boîtes est effectué, ce qui fournit un nombre de cellules par gramme de levure sèche.
Le taux de survie, en %, est obtenu en comparant ce nombre de cellules par gramme de levure sèche après séchage à celui obtenu, en procédant de la même manière, avant l’opération de séchage.
RÉSULTATS DES TESTS DE SÉCHAGE
Figure 2 : Courbes caractéristiques du séchage en lit fluidisé.
(indice 1 : entrée du lit ; indice 2 : sortie du lit)
(M.S. : matière sèche du solide ; HR : humidité relative ; Temp : température)
L’examen de la courbe d’évolution en fonction du temps de l’humidité relative de l’air à la sortie de l’appareil (figure 2) permet de mettre en évidence les 3 phases caractéristiques d’une opération de séchage.
La première phase est une phase courte de mise en régime.
La seconde phase est une phase de séchage à vitesse constante. La quantité d’eau disponible dans le produit est très grande, l’eau s’évapore comme de l’eau libre (aw
proche de 1; aw est l’activité en eau c’est-à-dire le rapport entre la pression de vapeur d’eau du produit et la pression de vapeur de l’eau pure à la même température [2]).Cette période se poursuit tant que la migration de l’eau de l’intérieur du grain à sa surface suffit à compenser la perte par évaporation de l’eau en surface. Le facteur limitant le séchage durant cette phase est donc le transfert externe de matière.
La troisième phase est une phase de séchage à vitesse décroissante. L’eau fait maintenant défaut en surface, le séchage est alors contrôlé par la diffusion de l’humidité à l’intérieur des grains et la vitesse de séchage diminue considérablement.
Le transfert de chaleur n’est donc plus compensé par l’évaporation de l’eau et on constate une élévation de température dans le lit fluidisé. A la fin de cette période, le solide est en équilibre avec l’air et la vitesse de séchage est donc nulle.
0 20 40 60 80 100 120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Temps (min)
HR 1 (%) Temp. 1 (°C) HR 2 (%) Temp. 2 (°C) Viabilité (%) M.S. (%)
1 2 3
2. Conditions opératoires
Le résultat des expériences de séchage qui nous intéresse principalement est le taux de survie final, qui devrait dépendre des paramètres opératoires du lit fluidisé, c’est- à-dire :
la vitesse de l’air de séchage (vit. air), exprimée par un multiple de la vitesse minimum de fluidisation,
la température de l’air à l’entrée (T1) et dans le lit,
l’humidité de l’air en amont du lit fluidisé (Y),
la taille des grains à sécher (D),
la hauteur du lit au repos (H), autrement dit la quantité de solide à sécher.
Le tableau I reprend les conditions et résultats d’une partie des essais de séchage.
H (mm)
MS
initiale
(%) Vit air
Y
(g eau /kg air sec)
D (mm)
T1
(°C) T (min)
MS
finale
(%)
Viabi lité (%)
Essai 1 40 32 2,3 5,4 1,5 25,7 104 87 59
Essai 2 55 29,4 2,5 6,5 1 28 150 87 66
Essai 3 29 32 2,5 0,4 1,5 33 (*) 48 84 46 Essai 4 25 30,5 2,6 3,41 1,5 38(*) 56 84 60
Essai 5 30 29,4 2,8 3,2 1 35 59 88 54
Essai 6 30 32,7 2,9 5,5 1 30 42 92 70
Essai 7 35 30,3 3 5,8 1 25 89 83 51
Essai 8 20 30,3 3 6,5 1 30 34 87 52
Essai 9 30 28,5 3 6,7 1 30 47 75 86
Essai 10 27 31,1 3 9,2 1 30 107 90 42
Essai 11 25 28,5 3,4 7 1 27 60 76,5 82
Essai 12 27 30 3,5 7,4 0,6 30 77 90 49
Essai 13 35 30 3,5 7,7 1 24 (*) 80 82,4 68
Essai 14 25 30,3 3,5 5,5 1 25 75 83 55
Essai 15 27 31,5 3,5 8,6 1 25 76 85 65
Essai 16 27 31 3,5 7,7 1 27,5 64 89 54
Essai 17 35 28,5 3,5 9 1 28 87 86 73
Essai 18 66 30,3 3,5 8,5 1 30 140 89 53
Essai 19 41 30,3 3,5 8,6 1 30 92 87 67
Essai 20 23 30,3 3,5 8,5 1 30 80 88 64
Essai 21 27 30,1 3,5 7,4 1 30 62 90 52
Essai 22 27 29,4 3,5 11,5 1 35 65 90 41
Essai 23 27 29,5 3,5 7,6 1,7 30 76 91 39
Essai 24 40 32 4 3,2 1 25,8 54 85 70
Tableau 1 : Résumé des paramètres de fonctionnement et des résultats des tests.
((*) : la température indiquée est une température moyenne, la température d’entrée n’était pas constante durant le test;
M.S. : matière sèche)
La masse de levure séchée lors des tests varie de 320 grammes à 1 kg, ce qui correspond à des hauteurs de lit déposé (H) de 20 à 66 mm.
La vitesse de l’air de séchage est exprimée par un multiple de la vitesse minimum de fluidisation. Celle-ci correspond à la vitesse du gaz d’entrée à partir de laquelle la vitesse de chute des particules est contrecarrée, elle est calculée à partir de la formule de Ergun et vaut pour des particules de 1 mm de diamètre, 0,3 m/s et, pour des particules de 1,5 mm, 0,47 m/s [3].
Les diverses valeurs de vitesse de l’air constituent un intervalle relativement court allant de 2,3 à 4 fois la vitesse minimum de fluidisation. La borne inférieure de cet intervalle correspond à la vitesse de l’air pour laquelle on considère qu’on a une fluidisation correcte (aucune zone morte) [3], la borne supérieure, quant à elle, correspond à la vitesse de l’air à partir de laquelle les plus petites particules commencent à être entraînées hors du lit fluidisé.
L’humidité du gaz d’entrée (Y) est exprimée en gramme d’eau par kg d’air sec, sa plage de variation va de 0 à 11, 5 qui correspond à de l’air non séché.
Les levures supportent assez mal une température élevée [4,5], nous nous sommes donc limités à des températures allant de 25 à 35 °C.
3. Influence des paramètres sur les résultats
Le séchage des levures a pour but d’obtenir un produit sec à 92-96 % et viable. On peut constater dans le tableau 1 que la matière sèche obtenue est comprise en grande partie entre 85 et 92 %. Lors de cette série d’essais, la durée de séchage a été déterminée par la température de sortie : lorsqu’elle est très proche de la température d’entrée, le séchage est stoppé. A ce moment, on peut constater sur les courbes d’humidité du gaz entrant et sortant que ces humidités relatives sont égales.
Les tests du tableau 1 ont permis de mettre en évidence l’influence du taux de matière sèche sur la viabilité finale (figure 3). On voit aisément sur cette figure qu’une corrélation existe entre la viabilité et le pourcentage de matière sèche des levures.
Figure 3 : Matière sèche des levures en fonction de leur viabilité après séchage.
Une autre manière de présenter les courbes de séchage est de porter en graphique l’évolution de la vitesse de séchage en fonction de l’humidité du solide (figure 4).
Les résultats présentés correspondent à 8 essais du tableau 1 et diffèrent ainsi par leurs conditions opératoires. On peut observer notamment les différentes phases de séchage et constater que la phase de séchage à vitesse constante (phase 2) se termine toujours lorsque l’humidité dans le grain a atteint une valeur proche de 58 %.
60 65 70 75 80 85 90 95
30 40 50 60 70 80 90
Viabilité (%)
Matière sèche (%)
Cette valeur correspond probablement à la fin de l’évaporation de l’eau libre ou peu liée (aw proche de 1).
Figure 4: Vitesse de séchage des levures en fonction de leur humidité.
4. Identification du paramètre déterminant pour la viabilité
Le but de cette étude est de mettre en évidence le ou les paramètres influençant directement la viabilité des levures durant le séchage. La viabilité obtenue en fin de séchage au cours des essais présentés au tableau 1 est portée en fonction de deux paramètres pressentis comme critiques : la température d’entrée de l’air, et la durée du séchage (figure 5). On constate sur ces 2 figures qu’aucune tendance probante ne peut être observée.
(a) (b)
Figure 5 : (a) Evolution de la viabilité finale en fonction de la température d’entrée . (b) de la durée du séchage.
La piste la plus intéressante semble être fournie par l’observation de l’évolution, au cours du temps, de la viabilité (mesurée sur des échantillons prélevés du lit fluidisé pendant le séchage) et de la température à l’intérieur du lit fluidisé (relevée en continu lors des expériences) (figure 6, ■ : viabilité (%);♦ : Température interne (°C)). On peut observer, dans les 4 résultats présentés, une chute de la viabilité dès que la température dans le lit dépasse la limite de 20-21°C.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
20 25 30 35 40
Température (°C)
Viabilité (%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Temps de séchage (min)
Viabilité (%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Humidité du solide (%) Vitesse de séchage (% d'humidité enlevée/min)
Sclf20 Sclf24 Sclf208 Sclf18 Sclf214 Sclf216 Sclf217 Sclf219
Figure 6 : Evolution de la viabilité et de la température dans le lit fluidisé en fonction du temps pour 4 essais différents (essais 4, 11, 17 et 24).
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
Cette étude a permis de mettre en évidence l’importance du contrôle de la température à l’intérieur du lit fluidisé et non pas à l’entrée de celui-ci, pour maintenir des viabilités élevées. Les travaux en cours visent à opérer une régulation de la température d’entrée du lit pour maintenir la température dans le lit sous les 21°C durant la troisième phase du séchage.
Il apparaît également que la manière de déterminer la durée du séchage n’est pas tout à fait adéquate pour l’obtention d’une matière sèche élevée. En effet, les levures séchées lors de nos tests sont encore trop humides pour espérer avoir une viabilité correcte à long terme. Cela est dû soit à un temps de séchage trop court, soit à la formation d’une croûte sèche à la surface des levures qui bloquerait la diffusion de l’eau de l’intérieur des grains vers sa surface. Une observation au microscope d’une coupe des grains s’avère donc nécessaire pour évaluer la vraisemblance de cette hypothèse.
REFERENCES
[1] Grabowski S., Mujumbar A.S., Ramaswany H.S., Strumillo C., Evaluation of fluidized versus spouted bed drying of baker’s yeast, Drying technology, 15/2 (1997), 625-634.
[2]Bernardo A.M., Bernardo A., Dumoulin E., Lebert A., Bimbenet J.J., Le choix d’un séchoir pour les IAA, Cahier scinetifique et technique, (mars 1990), 123-133.
[3] Kunii and Levenspiel, Fludization engineering, 1969.
[4] Bayrock D., Ingledew W., Fluidized bed drying of baker’s yeast : moisture levels, drying rates, and viability changes during drying, Food research international, 30 (1998), 407-415.
[5] Bayrock D., Ingledew W., Mechanism of viability loss during fluidized bed drying of baker’s yeast, Food research international, 30 (1998), 417-425.
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80
Temps (min)
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100
Temps (min)
0 20 40 60 80 100
0 10 20 30 40 50 60
Temps (min)
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60
Temps (min)
